En lo que respecta a los elementos, el silicio solo es superado por el oxígeno cuando se trata de abundancia en la Tierra. Por esto y sus propiedades como semiconductor, ha sido durante mucho tiempo la columna vertebral de la electrónica. El material está en todo, desde chips de computadora hasta radios. Es el mismo nombre, después de todo, del centro de la industria tecnológica moderna en California, Silicon Valley.
Hablando del capital tecnológico soleado, el silicio es el elemento principal utilizado en los paneles solares. Tres científicos de la Bell Telephone Company de Nueva Jersey patentaron la primera célula solar de silicio, la primera célula solar que se consideró práctica, con su capacidad de convertir el 6 por ciento de la luz entrante en electricidad utilizable, en la década de 1950. El material ha dominado el mercado solar desde entonces. Hoy, más del 90 por ciento de los paneles producidos en todo el mundo son paneles fotovoltaicos de silicio cristalino.
El silicio ha ganado tanto estatus e influencia en el mercado, con poca competencia en el espacio solar, que pocos saben que hay otras opciones para la energía solar.
Las perovskitas, o estructuras cristalinas, son un nuevo tipo de célula solar, hecha de elementos comunes como el yoduro de metilamonio y plomo. Las perovskitas son más fáciles de fabricar y tienen el potencial de convertir la luz solar en electricidad a un ritmo mayor que las células de silicio. El desafío es que las perovskitas son extremadamente frágiles.
Sin embargo, los científicos de la Universidad de Stanford están captando una pista de la naturaleza. Para hacer que las perovskitas sean más duraderas, han recurrido a la estructura resistente del ojo de una mosca.
El ojo compuesto de una mosca se compone de cientos de ojos hexagonales segmentados, cada uno protegido con un "andamio" de proteínas orgánicas para su protección. Los ojos están organizados en forma de panal, y cuando uno falla, los otros todavía funcionan. Todo el órgano muestra una redundancia y durabilidad que los investigadores esperan recrear en paneles solares.
Los investigadores pusieron los andamios llenos de perovskita a través de pruebas de fractura. (Laboratorio Dauskardt / Universidad de Stanford) Reinhold Dauskardt y su grupo de ingeniería de ciencia de materiales han creado un andamio en forma de panal, de solo 500 micras de ancho, a partir de material fotorresistente estándar o sensible a la luz. Para tomar prestado otro ejemplo de la naturaleza, así como una abeja crea un panal y luego lo llena de miel, los científicos construyen esta estructura protectora y luego hacen la perovskita en su interior. Giran una solución de elementos dentro del andamio, agregan calor y observan cómo se cristaliza para lograr la estructura de perovskita y sus propiedades fotovoltaicas. Luego, los científicos cubren la célula solar con un electrodo de plata para sellarla y su capacidad de capturar energía.
En una prueba de laboratorio preliminar , las células solares de Dauskardt, que son casi tan anchas como seis mechones de cabello, mantuvieron su estructura y funcionalidad. Cuando se expusieron a altas temperaturas y humedad (185 grados Fahrenheit y 85 por ciento de humedad relativa) durante seis semanas, las celdas continuaron produciendo electricidad a niveles consistentes. El andamiaje alrededor de las perovskitas tampoco disuadió de su salida eléctrica.
Este es un logro que cambia el juego. Antes de esta innovación, era muy difícil para los investigadores manipular y crear células de perovskita fotovoltaica, y mucho menos para sobrevivir en el medio ambiente.
“Cuando di charlas al comienzo de la energía fotovoltaica orgánica, diría, 'si respiras con estos materiales, fallarán'. En el caso de las perovskitas, digo 'si las miras, fallarán' ”, bromea Dauskardt, investigador principal del nuevo estudio, publicado en Energy and Environment Science .
Las perovskitas pueden ser hasta 100 veces más frágiles que el vidrio. Pero con el andamio utilizado para endurecerlo, la durabilidad mecánica de la célula aumenta en un factor de 30. Agrega estabilidad química y mecánica a la célula para que los investigadores puedan tocarla sin que se rompa y exponerla a altas temperaturas con una menor probabilidad de deterioro.
Cuando se ilumina desde abajo, los andamios hexagonales son visibles en las regiones de la célula solar recubiertas por un electrodo de plata. (Laboratorio Dauskardt / Universidad de Stanford) Investigadores de la Universidad de Tokio exploraron por primera vez la célula fotovoltaica perovskita como alternativa a la célula fotovoltaica de silicio en 2009, y los investigadores de todo el mundo saltaron al campo. Las células solares de perovskita ciertamente tienen sus ventajas. A diferencia de las células de silicio, que requieren un procesamiento a alta temperatura para purificar y cristalizar, las células solares de perovskita son relativamente simples de fabricar.
"Este es un gran avance en una secta de la investigación de perovskita porque está resolviendo los problemas que enfrentan los conceptos iniciales en el camino hacia la comercialización", dice Dick Co, director de operaciones y divulgación en el Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern (ANSER). Dicho esto, reconoce que el desarrollo no es universalmente aplicable a todas las investigaciones de células solares de perovskita. Hay muchas maneras en que se pueden fabricar células solares de perovskitas, y cada laboratorio tiene su propio enfoque.
Dado que las estructuras cristalinas pueden estar hechas de varios elementos, también hay muchas posibilidades estéticas. Las células solares se pueden instalar en ventanas, partes superiores de automóviles u otras superficies expuestas a la luz. Algunas compañías incluso están imprimiendo las celdas.
Co sospecha que las células solares de perovskita afectarán inicialmente a los nichos de mercado.
"Pude ver que se vendían en cargadores de teclado iPad, integrados en edificios y tal vez en automóviles, como el capó curvo de un automóvil", dice. "Pero es difícil imaginar hacer una célula solar de perovskita [prototipo] del tamaño de una miniatura grande y ampliamente desplegada, especialmente cuando las fábricas solares de silicio están bombeando suficientes módulos para cubrir países pequeños".
No obstante, con mejoras en la eficiencia y la durabilidad, los investigadores están en camino de preparar una celda para producir electricidad en muchos entornos. Los investigadores han solicitado una patente provisional.
En la nueva célula solar, se utiliza un andamio hexagonal (gris) para dividir la perovskita (negra) en microcélulas para proporcionar estabilidad mecánica y química. (Laboratorio Dauskardt / Universidad de Stanford) En la prueba de Dauskardt, las celdas lograron una tasa de eficiencia del 15 por ciento, que es mucho más alta que la primera prueba en 2009 que convirtió el 4 por ciento de la luz en electricidad. Las tasas de eficiencia del panel de silicio descansan alrededor del 25 por ciento, y en el laboratorio, las perovskitas han alcanzado más del 20 por ciento. Los investigadores han estimado la capacidad de eficiencia teórica de las perovskitas fotovoltaicas en alrededor del 30 por ciento.
Dauskardt cree que su equipo puede mejorar el andamio, originalmente construido con materiales baratos y fácilmente disponibles, para aumentar la eficiencia de la celda.
“Nos sorprendió tanto poder hacer uno tan fácilmente como pudimos. Ahora la pregunta es, ¿hay mejores andamios que podamos usar? ¿Cómo podemos recuperar la luz que caería sobre la pared del andamio? ”Dice Dauskardt. Él y sus colegas planean experimentar con materiales de dispersión de partículas de luz.
Con el potencial para una fabricación barata, una comercialización relativamente rápida (Dauskardt estima dentro de los próximos tres a cinco años) y aplicaciones sorprendentemente diversas, la célula solar de perovskita puede ser el próximo gran panel solar de la década de 2020 y más allá.
Entonces, cuando esa mosca está zumbando en tu oído, ten la seguridad de que la naturaleza, en todas sus formas, inspira.
